肖雷蕾,張衡陽,毛玉泉,程國兵,朱慶

(空軍工程大學(xué)信息與導(dǎo)航學(xué)院, 710077, 西安)

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一種區(qū)分優(yōu)先級(jí)自適應(yīng)抖動(dòng)的媒質(zhì)接入控制協(xié)議

肖雷蕾,張衡陽,毛玉泉,程國兵,朱慶

(空軍工程大學(xué)信息與導(dǎo)航學(xué)院, 710077, 西安)

針對(duì)軍事航空通信系統(tǒng)中隨機(jī)接入類協(xié)議不支持多優(yōu)先級(jí)且在重負(fù)載時(shí)傳輸性能急劇惡化問題,提出一種區(qū)分優(yōu)先級(jí)自適應(yīng)抖動(dòng)的多信道媒質(zhì)接入控制(MAC)協(xié)議PAJ_MAC。協(xié)議基于隨機(jī)接入機(jī)制,采用為各個(gè)優(yōu)先級(jí)設(shè)置不同最大抖動(dòng)階段的方法來區(qū)分各優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的QoS,通過估計(jì)信道忙閑程度并根據(jù)估計(jì)值調(diào)節(jié)抖動(dòng)階段轉(zhuǎn)移概率自適應(yīng)因子,使協(xié)議具備業(yè)務(wù)負(fù)載自適應(yīng)能力。分別建立了分組等待階段發(fā)送緩沖區(qū)的M/G/1/K排隊(duì)模型、信道接入階段抖動(dòng)狀態(tài)的二維馬爾科夫鏈模型和傳播階段的突發(fā)包碰撞模型,得到了協(xié)議各項(xiàng)性能指標(biāo)的理論表達(dá)式,并通過編程求出了自適應(yīng)因子在保證最高優(yōu)先級(jí)可靠性需求下隨業(yè)務(wù)負(fù)載變化的最優(yōu)解。仿真表明,該協(xié)議支持多優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù),并始終保證最高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的低時(shí)延(端到端時(shí)延<10 ms)、高可靠(成功傳輸概率≥95%)傳輸以及系統(tǒng)吞吐量的穩(wěn)定。

航空通信;隨機(jī)接入;媒質(zhì)接入控制協(xié)議;自適應(yīng)抖動(dòng);優(yōu)先級(jí)

打擊時(shí)敏目標(biāo)的作戰(zhàn)任務(wù)具有時(shí)間約束嚴(yán)格、信息交互質(zhì)量要求高的特性,因此對(duì)作戰(zhàn)平臺(tái)間信息交互共享能力提出了很高的要求。目前的軍事航空通信網(wǎng)絡(luò)大多采用集中式接入控制方式,如美軍的Link11數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)褂玫妮喸儥C(jī)制媒質(zhì)接入控制(MAC)協(xié)議、Link-16數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)褂玫腡DMA協(xié)議等,都存在端到端時(shí)延大、可擴(kuò)展性和抗毀性差等缺點(diǎn)。Link22采用動(dòng)態(tài)TDMA機(jī)制,具有了一定的靈活性和可擴(kuò)展性,但信息共享的時(shí)延一般在秒級(jí),難以滿足時(shí)敏性業(yè)務(wù)的毫秒級(jí)傳輸時(shí)延的要求。因此,美軍正在發(fā)展一種基于自組織網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)的新型高速、寬帶、低時(shí)延的戰(zhàn)術(shù)網(wǎng)絡(luò)瞄準(zhǔn)技術(shù)(tactical targeting network technology,TTNT)[1],其MAC協(xié)議的設(shè)計(jì)緊緊圍繞著打擊時(shí)敏目標(biāo)的要求而展開。

航空自組網(wǎng)具有部署靈活、快速自組、分布式、高抗毀性等特點(diǎn)[2-4]。MAC協(xié)議作為航空自組網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)之一,直接影響著航空自組網(wǎng)的時(shí)效性、可靠性及系統(tǒng)吞吐量[5]。航空自組網(wǎng)具有多種業(yè)務(wù)類型,如何保證打擊時(shí)敏目標(biāo)的緊急業(yè)務(wù)傳輸?shù)臅r(shí)效性、可靠性是MAC協(xié)議亟待解決的問題[6]。現(xiàn)有航空自組網(wǎng)的典型MAC協(xié)議主要有以下3種:①以TDMA及其相關(guān)改進(jìn)的時(shí)隙分配類協(xié)議[7-8],具有系統(tǒng)吞吐量大、時(shí)隙固定和可動(dòng)態(tài)調(diào)整的特點(diǎn),但這類協(xié)議的時(shí)隙長度設(shè)置需要考慮最大傳播時(shí)延和時(shí)延抖動(dòng)等因素,僅適合于對(duì)時(shí)效性要求不高的通信系統(tǒng);②以IEEE 802.11 DCF及相關(guān)改進(jìn)的時(shí)隙預(yù)約類協(xié)議[9-11],適用于分布式網(wǎng)絡(luò),但每個(gè)節(jié)點(diǎn)需要通過RTS/CTS控制幀的交互來競爭預(yù)約時(shí)隙,在大尺度的航空節(jié)點(diǎn)分場景下,這種交互引入的傳播時(shí)延對(duì)信息時(shí)效性帶來了嚴(yán)重影響,也不能支持面向時(shí)敏目標(biāo)打擊的業(yè)務(wù)信息傳輸;③以Aloha及其相關(guān)改進(jìn)的隨機(jī)接入類協(xié)議[12-14],大大降低了接入時(shí)延。例如:戰(zhàn)術(shù)網(wǎng)絡(luò)瞄準(zhǔn)技術(shù)的基于優(yōu)先級(jí)統(tǒng)計(jì)的媒質(zhì)接入(statistical priority based media access,SPMA)控制協(xié)議[12],采用多信道、信道忙閑統(tǒng)計(jì)等技術(shù),可將100 n mile內(nèi)的信息傳輸時(shí)延降低到2 ms以內(nèi),分組一次接入成功率達(dá)到99%;文獻(xiàn)[13]提出一種Aloha改進(jìn)MAC協(xié)議(FH_MAC),在Aloha隨機(jī)接入基礎(chǔ)上,采用跳頻、Turbo編碼、猝發(fā)等技術(shù)以減小信道碰撞概率并提高數(shù)據(jù)包的發(fā)送成功率,FH_MAC協(xié)議在保持低時(shí)延特性的同時(shí)大大提高了傳輸成功率,但在重負(fù)載時(shí)性能嚴(yán)重惡化,且不支持多優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù);文獻(xiàn)[14]提出一種改進(jìn)的MAC協(xié)議(AFH_MAC),針對(duì)FH_MAC協(xié)議中吞吐量-業(yè)務(wù)負(fù)載呈拋物線關(guān)系提出了一種自適應(yīng)機(jī)制,主要是通過設(shè)置突發(fā)包接入信道的權(quán)限來控制網(wǎng)絡(luò)負(fù)載數(shù)量,協(xié)議能有效維持重負(fù)載時(shí)系統(tǒng)吞吐量的穩(wěn)定,但是未考慮航空通信網(wǎng)絡(luò)中多優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的情況。

本文在文獻(xiàn)[13-14]的研究基礎(chǔ)上,提出了區(qū)分優(yōu)先級(jí)的自適應(yīng)抖動(dòng)媒質(zhì)接入控制(prioritized adaptive jitter based media access control,PAJ_MAC)協(xié)議,旨在提供區(qū)分優(yōu)先級(jí)服務(wù)且為最高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)提供嚴(yán)格的時(shí)效性和可靠性保障,同時(shí)解決隨機(jī)接入類MAC協(xié)議重負(fù)載時(shí)性能惡化的問題。

1 協(xié)議描述

1.1 協(xié)議框架

本文提出的PAJ_MAC協(xié)議框架如圖1所示。其中:分組發(fā)送時(shí),上層產(chǎn)生的業(yè)務(wù)分組經(jīng)過FIFO排隊(duì)、突發(fā)包產(chǎn)生和自適應(yīng)抖動(dòng)模塊后接入網(wǎng)絡(luò),完成發(fā)送過程;分組接收時(shí),接收到的數(shù)據(jù)通過分組重組模塊進(jìn)行譯碼重組,恢復(fù)出完整的分組后,完成接收過程。

圖1 PAJ_MAC協(xié)議框架

圖1中各模塊功能具體介紹如下。

(1)排隊(duì)過程:分組到達(dá)后按照各自優(yōu)先級(jí)排隊(duì),排隊(duì)規(guī)則為FIFO,隊(duì)列飽和時(shí)分組自動(dòng)丟棄。

(2)突發(fā)包產(chǎn)生模塊:對(duì)分組進(jìn)行1/3效率Turbo編碼,然后等長拆分為若干個(gè)突發(fā)包,在每個(gè)突發(fā)包中加入相應(yīng)身份信息(包括分組序號(hào)和突發(fā)包序號(hào))。

(3)分組重組模塊:根據(jù)接收到的突發(fā)包身份信息對(duì)其進(jìn)行譯碼重組,根據(jù)Turbo編碼原理,只需成功接收一半以上突發(fā)包就能成功恢復(fù)分組。

(4)信道占用統(tǒng)計(jì)模塊:統(tǒng)計(jì)一段時(shí)間內(nèi)各個(gè)信道上的突發(fā)包數(shù)量,對(duì)信道忙閑程度進(jìn)行量化表示,將該值反饋給自適應(yīng)抖動(dòng)機(jī)制并作為其抖動(dòng)階段轉(zhuǎn)移概率設(shè)置依據(jù)。

(5)自適應(yīng)抖動(dòng)機(jī)制:每個(gè)突發(fā)包在發(fā)送前先進(jìn)行自適應(yīng)抖動(dòng),然后在頻率庫中隨機(jī)選擇一個(gè)頻點(diǎn)完成發(fā)送過程。該機(jī)制可以實(shí)現(xiàn)為不同優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)提供不同的QoS。

1.2 自適應(yīng)抖動(dòng)算法

在自適應(yīng)抖動(dòng)算法中,網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)為每個(gè)優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)維持著一張抖動(dòng)階段轉(zhuǎn)移圖。圖2為優(yōu)先級(jí)n(n=1,2,3,…)的抖動(dòng)階段轉(zhuǎn)移圖,共包含m+1個(gè)抖動(dòng)階段,不同優(yōu)先級(jí)的最大抖動(dòng)階段m取值不同。每個(gè)抖動(dòng)階段都對(duì)應(yīng)一個(gè)抖動(dòng)窗口,Wi表示抖動(dòng)階段i對(duì)應(yīng)的抖動(dòng)窗口,W0為最小抖動(dòng)窗口,各優(yōu)先級(jí)具有相同的最小抖動(dòng)窗口,且大小為W0=10δ(δ為抖動(dòng)時(shí)隙)。抖動(dòng)窗口隨抖動(dòng)階段線性增加,后一個(gè)抖動(dòng)階段的抖動(dòng)窗口比前一個(gè)增加W0,Wi=(i+1)W0,0≤i≤m。

圖2 自適應(yīng)抖動(dòng)算法抖動(dòng)階段轉(zhuǎn)移圖

不同優(yōu)先級(jí)突發(fā)包的自適應(yīng)抖動(dòng)機(jī)制同時(shí)獨(dú)立運(yùn)行,當(dāng)突發(fā)包到達(dá)時(shí),算法開始啟動(dòng)。以優(yōu)先級(jí)n做具體說明:如突發(fā)包到達(dá)時(shí)的當(dāng)前抖動(dòng)階段為i(0

2 協(xié)議建模

2.1 二維馬爾科夫鏈模型

接下來采用二維馬爾科夫鏈對(duì)自適應(yīng)抖動(dòng)算法進(jìn)行建模。以數(shù)組(i,j)表示節(jié)點(diǎn)的抖動(dòng)狀態(tài),其中,i為抖動(dòng)階段,i∈[0,m],j為抖動(dòng)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值,j∈[0,Wi-1],那么節(jié)點(diǎn)的抖動(dòng)狀態(tài)空間為Ω={(i,j)|i∈[0,m],j∈[0,Wi-1]}。圖3為算法的二維馬爾科夫鏈狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖。設(shè)(s(t),b(t))表示在t時(shí)刻節(jié)點(diǎn)所處的抖動(dòng)狀態(tài),那么二維隨機(jī)過程(s(t),b(t))是狀態(tài)空間為Ω的離散二維馬爾科夫鏈。

圖3 自適應(yīng)抖動(dòng)算法的二維馬爾科夫鏈狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

(1)

(2)

(3)

bi,j=

(4)

由式(1)～式(4)可得

(5)

根據(jù)二維馬爾科夫鏈的歸一化條件可得

(6)

為表達(dá)方便,令H=p/(1-p),進(jìn)而求出

(2W0+W0m+1)Hm+1-H+W0+1]

(7)

將所得b0,0代入式(1)～式(3),即可求得二維馬爾科夫鏈的所有穩(wěn)定狀態(tài)概率值。

(8)

將式(8)對(duì)變量i求和,得到bur(i,j)的關(guān)于j的邊緣概率密度函數(shù),表示突發(fā)包接入信道前抖動(dòng)j個(gè)時(shí)隙的概率,如下式

(9)

假設(shè)一個(gè)分組被拆分的突發(fā)包數(shù)量為Nbur個(gè)。定義bur(jk),表示分組中第k(k=1,2,…,Nbur)個(gè)突發(fā)包,抖動(dòng)時(shí)間為jk(1≤jk≤Wm)個(gè)時(shí)隙,則Nbur個(gè)突發(fā)包關(guān)于抖動(dòng)時(shí)間的聯(lián)合概率密度函數(shù)為

(10)

定義分組的服務(wù)時(shí)間為Tpac(J),那么,其大小是Jδ(Nbur≤J≤WmNbur)的概率為

(11)

則分組的平均服務(wù)時(shí)間為

(12)

2.2 分組排隊(duì)模型

對(duì)于單個(gè)節(jié)點(diǎn)中的長度為K的發(fā)送緩沖隊(duì)列,網(wǎng)絡(luò)層以泊松過程到達(dá)的分組與節(jié)點(diǎn)處理這些分組的過程構(gòu)成M/G/1/K排隊(duì)系統(tǒng)。設(shè)分組到達(dá)率為λ(不同優(yōu)先級(jí)取值不同),pk為穩(wěn)態(tài)情況下隊(duì)列中有k個(gè)分組的概率(k=0,1,2,…,K),πk表示穩(wěn)態(tài)情況下分組接受完服務(wù)離開發(fā)送緩沖區(qū)時(shí)緩沖區(qū)隊(duì)列中有k個(gè)分組的概率,則根據(jù)文獻(xiàn)[15]有

(13)

式中:ρ為業(yè)務(wù)強(qiáng)度,可表示為

(14)

設(shè)向量π=[π0,π1,…,πk,…,πK-1],則πk可以通過下式表示的線性方程組求得

π(M-E)=0

(15)

(16)式中:E為單位矩陣;ak為一個(gè)分組服務(wù)時(shí)間Tpac(J)內(nèi)有k個(gè)分組到達(dá)的概率

k=0,1,…

(17)

其中P(Tpac(J))已由式(11)求得。

聯(lián)立式(13)～式(17)可解出所有pk值。定義pempty=p0,表示隊(duì)列為空,同時(shí)自適應(yīng)抖動(dòng)算法處于未啟動(dòng)狀態(tài);定義poverflow=pK,表示隊(duì)列飽和,到達(dá)分組溢出的概率。

2.3 信道碰撞模型

(18)

定義Rin為網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)突發(fā)包接入總速率,Nnode為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量,則網(wǎng)絡(luò)中突發(fā)包接入總速率為

(19)

考慮到隨機(jī)接入網(wǎng)絡(luò)中的突發(fā)包會(huì)在時(shí)域上、頻域上發(fā)生碰撞,因此,為使突發(fā)包在信道中成功傳輸,突發(fā)包與其相鄰的前、后一個(gè)突發(fā)包的間隔需同時(shí)大于一個(gè)突發(fā)包的發(fā)送脈沖寬度Tbur_send。假設(shè)單個(gè)信道中,接入網(wǎng)絡(luò)中的突發(fā)包時(shí)間間隔服從參數(shù)為λper_channel的指數(shù)分布,突發(fā)包發(fā)送頻點(diǎn)在Nchannel個(gè)信道中隨機(jī)選擇,則λper_channel=(Nchannel/Rin)-1,由此可知,在任一信道中的突發(fā)包時(shí)間間隔概率密度函數(shù)為

(20)

定義pbur_right表示在信道傳播過程中單個(gè)突發(fā)包成功接入的概率,則

(21)

定義ppac_right,表示在信道傳播過程中分組成功接入的概率。根據(jù)Turbo編碼原理,一個(gè)分組中只要有Mbur個(gè)突發(fā)包能夠成功接收,接收機(jī)就能夠恢復(fù)該分組,根據(jù)排列組合可得分組成功傳播概率為

(22)

3 性能分析

(23)

令Tpropagate表示分組傳播時(shí)間,則可得優(yōu)先級(jí)n分組的平均時(shí)延為

(24)

(25)

定義C為系統(tǒng)吞吐量,表示單位時(shí)間內(nèi)網(wǎng)絡(luò)中正確傳輸?shù)姆纸M比特?cái)?shù),令Lpac為分組長度(單位bit),則

(26)

(a)自適應(yīng)因子p=0.35

(b)自適應(yīng)因子p=0.65

(c)自適應(yīng)因子p=0.35

(d)自適應(yīng)因子p=0.65 圖4 在不同自適應(yīng)因子下各優(yōu)先級(jí)平均時(shí)延和成功傳輸概率隨負(fù)載變化的關(guān)系圖

在表1中給定的參數(shù)條件下,系統(tǒng)性能還與業(yè)務(wù)負(fù)載和自適應(yīng)因子的大小有關(guān)。分別作出了不同自適應(yīng)因子取值下分組成功傳輸概率和平均時(shí)延隨業(yè)務(wù)負(fù)載的變化關(guān)系,如圖4所示。對(duì)比圖4a、4b可以看出,隨著業(yè)務(wù)負(fù)載的增加,各優(yōu)先級(jí)分組平均時(shí)延也相應(yīng)增加,且隨著自適應(yīng)因子的增大,低優(yōu)先級(jí)分組平均時(shí)延增長加快。對(duì)比圖4c、4d可以看出,隨著業(yè)務(wù)負(fù)載的增加,各優(yōu)先級(jí)分組的成功傳輸概率迅速降低,而在自適應(yīng)因子取值較大時(shí),高優(yōu)先級(jí)的成功傳輸概率有了較大提高。從而可得出:在p取值較小時(shí),輕負(fù)載時(shí)各優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)具有較好的可靠性和時(shí)效性,但是在業(yè)務(wù)負(fù)載較重時(shí)各優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的可靠性極低;p取值較大時(shí),重負(fù)載時(shí)高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)可靠性有了較大提高,但是在輕負(fù)載時(shí)低優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)可靠性和時(shí)效性過低。

4 自適應(yīng)因子p的最優(yōu)取值

自適應(yīng)因子p是信道占用統(tǒng)計(jì)模塊針對(duì)信道忙閑程度的量化表示值。通過性能分析可知,在p取值較小時(shí),可保證輕負(fù)載時(shí)各優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)具有較好的可靠性和時(shí)效性,但在負(fù)載較重時(shí)各優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)可靠性很難保障;p取值較大時(shí),可提高重負(fù)載時(shí)高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)可靠性,但在輕負(fù)載時(shí)低優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)可靠性和時(shí)效性過低。為保證最高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)低時(shí)延和高可靠的同時(shí)提高通信的整體效益,自適應(yīng)因子p須根據(jù)業(yè)務(wù)負(fù)載自適應(yīng)調(diào)整,以實(shí)現(xiàn)2個(gè)目的:①始終保證最高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的實(shí)時(shí)可靠傳輸;②在輕負(fù)載時(shí),提高低優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的通信質(zhì)量。

表1 仿真參數(shù)

圖5 最優(yōu)自適應(yīng)因子與最高優(yōu)先級(jí)成功傳輸概率的 變化關(guān)系

從圖5可知,不同曲線間,對(duì)最高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)最低成功傳輸概率要求越高,自適應(yīng)因子p在相同業(yè)務(wù)負(fù)載下的取值越大;單個(gè)曲線中,隨著業(yè)務(wù)量的增加,自適應(yīng)因子p取值越大。

5 仿真分析

圖6 仿真場景示意圖

(b)各優(yōu)先級(jí)分組平均時(shí)延

(c)各優(yōu)先級(jí)分組丟包率

(d)系統(tǒng)吞吐量和分組成功傳輸概率圖7 本文協(xié)議性能的理論和仿真曲線

從圖7a、7b可知:當(dāng)系統(tǒng)為輕負(fù)載時(shí),各個(gè)優(yōu)先級(jí)都具有較高的成功傳輸概率和較低的平均時(shí)延,且差異較小;處于重負(fù)載時(shí),最高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的信息傳輸質(zhì)量保持不變,成功傳輸概率為0.95,分組平均時(shí)延在7 ms左右。從圖7c可知,在輕負(fù)載時(shí),各優(yōu)先級(jí)分組丟包率基本為0;在重負(fù)載時(shí),丟包率不斷增加,但最高優(yōu)先級(jí)的丟包率始終為0。從圖7d可知,分組成功傳輸概率在輕負(fù)載時(shí)較大,且隨著負(fù)載增加最終維持在0.95,系統(tǒng)吞吐量在重負(fù)載時(shí)也保持在最大值。

仿真結(jié)果分析:①當(dāng)系統(tǒng)處于輕負(fù)載時(shí),自適應(yīng)因子p取值較小,自適應(yīng)抖動(dòng)機(jī)制作用效果弱,從而使各優(yōu)先級(jí)之間的QoS差異較小,使得輕負(fù)載時(shí)低優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)也能具有較高的信息傳輸質(zhì)量;②當(dāng)系統(tǒng)處于重負(fù)載時(shí),信道質(zhì)量變差,自適應(yīng)因子p的取值變大,優(yōu)先級(jí)低的分組服務(wù)時(shí)間變大,分組溢出概率增加,限制了低優(yōu)先級(jí)分組的接入,避免了信道質(zhì)量的繼續(xù)惡化;③PAJ_MAC協(xié)議的理論和仿真結(jié)果一致,始終保證最高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的實(shí)時(shí)可靠傳輸,且提高了輕負(fù)載時(shí)低優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的通信質(zhì)量,證明了最優(yōu)自適應(yīng)因子理論計(jì)算值的正確性以及自適應(yīng)抖動(dòng)機(jī)制的有效性。

6 結(jié)束語

為面向“時(shí)敏目標(biāo)”打擊的航空自組網(wǎng)設(shè)計(jì)了一種基于自適應(yīng)抖動(dòng)且支持多優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)類型的MAC協(xié)議,采用無線網(wǎng)絡(luò)性能分析中成熟和通用的二維馬爾科夫鏈模型,重點(diǎn)研究分析并仿真了自適應(yīng)抖動(dòng)機(jī)制對(duì)MAC協(xié)議的實(shí)時(shí)性、可靠性的影響。協(xié)議采用自適應(yīng)抖動(dòng)機(jī)制為各個(gè)優(yōu)先級(jí)設(shè)置不同最大抖動(dòng)階段,以提供不同優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的QoS保障,通過信道占用統(tǒng)計(jì)模塊提供的自適應(yīng)因子p的反饋調(diào)節(jié)作用,使協(xié)議具備業(yè)務(wù)負(fù)載自適應(yīng)能力,即輕負(fù)載時(shí)各優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)均能高效、可靠地傳輸,重負(fù)載時(shí)以犧牲低優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)通信質(zhì)量為代價(jià),保證了高優(yōu)先級(jí)分組的低時(shí)延和高可靠性。最后,通過仿真驗(yàn)證了PAJ_MAC協(xié)議自適應(yīng)抖動(dòng)機(jī)制的有效性和建模分析的準(zhǔn)確性。

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(編輯 劉楊)

An Adaptive Jitter Based Media Access Control Protocol with Priorities

XIAO Leilei,ZHANG Hengyang,MAO Yuquan,CHENG Guobing,ZHU Qing

(Information and Navigation College, Air Force Engineering University, Xi’an 710077, China)

A prioritized adaptive jitter media access control protocol (PAJ_MAC) based on multi-channel random access mechanism is proposed to solve the issues of multi-priority traffic differentiation and poor performance under heavy loads in military aeronautical communication. The protocol bases on the random access mechanism and classifies QoS for multiple priorities by setting different maximum jitter stages. It adaptively implements traffic loads by regulating the jitter stage transition probability based on continuous feedback of channel occupation statistic. All of the protocol performance expressions are deduced through building three models. These models are a queuing process model with M/G/1/K theory, an adaptive jitter mechanism model with 2-D Markov chain and a propagation process model with burst collision. The optimal adaptive factor to guarantee the reliability of the highest priority traffic under different traffic loads is derived through programming. Simulation results show that the protocol provides correct traffic differentiation, guarantees the timeliness and reliability of the highest priority traffic (i.e. the time delay is less than 10 ms and the successful transmission probability is more than 95%), and maintains the stability of the system throughput all the time.

aeronautical communication; random access; media access control protocol; adaptive jitter; priority

2015-04-01。

肖雷蕾(1991—),男,碩士生;張衡陽(通信作者),男,副教授。

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61202490);航空科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2013ZC15008)。

時(shí)間:2015-07-23

10.7652/xjtuxb201510020

TP393

A

0253-987X(2015)10-0123-07

網(wǎng)絡(luò)出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20150723.0922.014.html